Nichtlinearer Ultraschall zur Charakterisierung von Ermüdungsschäden während der Hochfrequenz-Beanspruchung von C-Faser-Kunststoffverbunden

Abstract

Die Auslegung von Bauteilen aus carbonfaserverstärkten Kunststoffen (CFK) erfolgt immer noch konservativ mit einem hohen Sicherheitsfaktor, da bis heute das Wissen bezüglich des Ermüdungsverhaltens solcher Materialien unvollständig ist. In dieser Arbeit wird das Hoch-frequenzermüdungsverhalten eines kommerziell erhältlichen CFK überwacht und analysiert. In einem 3-Punkt-Biegeversuch wurden die Proben mit einer Beanspruchungsfrequenz von f = 20,26 kHz bei einem Projektpartner ermüdet. Die Schwingungsanregung bei der Beanspruchungsfrequenz wird simultan zur zerstörungsfreien Ultraschall-Überwachung des Ermüdungsprozesses verwendet (Online-Charakterisierung). Die gemessenen Ultraschallzeitsignale werden mit den spektralen Analyseverfahren Fourier-, Kurzeit-Fourier- und Hilbert-Huang-Transformation ausgewertet und analysiert. Im Ausgangszustand sowie nach der Beanspruchung erfolgt eine zerstörungsfreie Material-charakterisierung (Offline-Charakterisierung). Oberflächennahe Fehler werden mittels optischer Mikroskopie untersucht. Zur inneren Fehlerlokalisierung im mm-Bereich findet die Ultraschallfehlerprüfung Verwendung. Zur Detektion von Rissen im µm-Bereich wird die Röntgencomputertomografie eingesetzt. Die Korrelation der Ergebnisse liefert Hinweise zu Art und Zeitpunkt der Entstehung von Ermüdungsschäden. Ein wahrscheinlicher Schadensablauf bei der Ermüdung lässt sich mit Hilfe der Online-Signale und der Offline-Prüfung rekonstruieren.

Carbon fibre reinforced plastics (CFRP) are still applied conservatively, with a high safety factor, due to the limited knowledge regarding their fatigue behaviour. In this work, the very high cycle fatigue behaviour of a commercially available CFRP is experimentally studied and analysed. The samples were fatigued by a project partner using 3-point bending test machine with a loading frequency of f = 20,26 kHz. The vibration at the loading frequency is used simultaneously for non-destructive ultrasonic monitoring of the fatigue process (Online-Characterisation). The recorded ultrasonic time signals are analysed and evaluated by Fast-Fourier, Short-Time Fourier and Hilbert-Huang transform. At the initial state and after loading, the samples are characterized using non-destructive testing techniques (Offline-Characterisation). Defects at the surface are examined by optical microscopy. Ultrasonic testing is used for the localisation of defects in the sample volume in the millimetre range. In order to detect cracks in the micrometre range, X-ray computed to-mography is used. The correlation of the results provides evidence of the type and of the chronologz of the appearance of fatigue defects during the mechanical loading. A likely dam-age process is proposed on the basis of the online-signals and the offline testing results.